Terävä-aluskuvioisen impulssin rikkoutuminen HTV-peittämässä komposiitti-porsaansiinesteissä: Mekanismit testaus ja simulointi

Porcelaani- ja lasiisolatorit osoittavat erinomaista sähköeristeyksen ominaisuutta ja mekaanista vahvuutta, mutta ne ovat alttiita saastumisen aiheuttamalle sähköiskulle vakavissa saastumisoloissa, mikä uhkaa sähköverkkojen vakautta. Ulkoisen eristyksen sähköiskunkestävyyden parantamiseksi valmistajat levittävät yleisesti huoneenlämpötilassa vulkanoidun silikaakumi (RTV) -peittelyä, jolla on poikkeuksellinen vedenvastustuskyky ja vedenvastustuskyvyn siirtymisominaisuudet, isolatorien pinnalle, mikä vähentää sähköiskun riskiä. Aluksi Kiinassa RTV-peittelyä sovellettiin paikan päällä, mikä oli hankala työ ja laatuvalvonta oli epäjohdonmukaista.

Myöhemmin kehitettiin tehtaanpohjiset upotus- tai maalinnoitusprosessit, joiden ansiosta RTV-peitettyjä isolatoreita voitiin toimittaa valmiina tuotteina, jotka olivat valvonnan ja hyväksynnän alaisia, mikä paransi merkittävästi tuotteen laatua ja edisti niiden laajaa käyttöä sähköverkoissa. Kuitenkin RTV-peittelyllä on heikko mekaaninen vahvuus ja heikko rajapinnan kiinnitys eristeen kanssa, joka tekee niistä alttiita ulkoisten voimien aiheuttamaan vaurioitumiseen kuljetuksen, rakennuksen, asennuksen ja pitkäaikaisen toiminnan aikana. Toimintoihin liittyviä ikääntymisilmiöitä, kuten reväilyn, rikkoutumisen ja irrallaan jäämisen, esiintyy usein, mikä vaatii purkamista ja uudelleen peittelyn, mikä johtaa korkeisiin huoltokustannuksiin.

Levyisolatorit, jotka koostuvat kokonaisesta porcelaaniisolatorista ytimeenä ja korkean lämpötilan vulkanoidusta silikaakumi (HTV) -kuoresta, jonka vähimmäispaksuus on 3 mm, muodostetaan yhdessä muovauksessa korkean lämpötilan injektioilla. HTV on verrattuna RTV:hen poikkeuksellisen mekaanisesti vahva, sekä se osoittaa parempaa jälkijäte- ja sulkemisvastustuskykyä, paloestevaihtoehtoa, sähköisiä ominaisuuksia, ikääntymisvastustuskykyä ja korkean lämpötilan kestokykyä.

Lisäksi porcelaani pinnan glazuuritasoa muokkaamalla ja erikoisilla kytkentäaineilla käyttämällä parannetaan merkittävästi porcelaani- ja HTV-silikaakumi -kuoren välisen rajapinnan kiinnitysvahvuutta, mikä edistää komponentin yhtenäisyyttä ja tasaisuutta. Tämän vuoksi levyisolatorit tarjoavat erinomaisen mekaanisen ja saastumisen aiheuttaman sähköiskunkestävyyden, matalat toiminta- ja huoltokustannukset, avaimen uuden polun ulkoisen eristyksen sovelluksille siirtojoissa.

Kokemus osoittaa, että kun ylhäältä kulkevat linjat osutaan salamaan, aiheutettu ylivoltage sisältää erittäin lyhytaikaisia, kivennäisiä ja erittäin korkeavolttisia signaaleja, jotka aiheuttavat merkittäviä uhkia linjan isolatorien kannalta. Tällaiset kivennäiset signaalit voivat aiheuttaa levyisolatorien reikäilemisen tai jopa räjähtämisen, ja pahimmassa tapauksessa romahdusketjun katkeamisen ja linjan pudotuksen. Kivennäinen signaaliylikuormituskyky on tärkeä mittari isolatorin laadun arvioinnissa.

Vaikka kotimaassa ja kansainoisesti on tehty laajasti tutkimuksia porcelaani- ja lasiisolatorien kivennäisominaisuuksista, levyisolatorien tutkimuksia on vielä vähän, ja niiden taustalla olevat mekanismit eivät ole hyvin ymmärrety. Siksi tässä artikkelissa suoritetaan ilmakehän impulsirajoituskykytestejä levyisolatorien kivennäisominaisuuksien tutkimiseksi.

Ilmakehän impulsirajoituskykytestit arvioivat tehokkaasti elektroniikkalaitteiden kivennäisominaisuuksia, varmistavat turvallisuuden ja luotettavuuden äärimmäisissä olosuhteissa, ja niillä on merkittävä arvo isolatorien laadun arvioinnissa. Tämä tutkimus suorittaa ensin impulsirajoituskykytestejä analysoimaan kivennäisominaisuuksia, sitten perustaa simuloinnin kivennäisen signaalin huippuvolttagin pohjalta testitulosten perusteella tutkiakseen ominaisuudenmuutoksen mekanismia, pyrkien antamaan ohjeita kompositporcelaaniisolatorien erityyppisten isolointiteknologioiden soveltamiselle siirtojoissa.

1 Ilmakehän impulsirajoituskykytestien asetelma

1.1 Näyte

Valmistajan HU550B240/650T AC -levyisolatori valittiin testinäyteeksi. Isolatorilla on kolmekerroksinen sateenvarjo, kuten kuvassa 1 näkyy. Sen pääasialliset suorituskykyparametrit on lueteltu taulukossa 1.

1.2 Testiplatform ja -suunnitelma
Testiin käytettiin 2400 kV:n impulsivolttagengeneraattoria. Isolatorin päällikkö asetettiin maanjäristyksen metallilevylle, ja standardipallokuppi asennettiin nippulan päässä estämään liian suurta sähkökenttäkonsentraatiota nippulan ympärillä. Isolatorin asettelu on havainnollistettu kuvassa 2.

Ilmakehän impulsirajoituskykytestejä suoritettiin yhteensä 20 isolatorinäytteelle. Ilmakehän impulsirajoituskykytestien menetelmät voidaan luokitella kivennäis- ja amplitudimenetelmiksi, jossa amplitudimenetelmä käytetään pääasiassa levyisolatorien käsittelyyn.

Tämä tutkimus käytti amplitudimenetelmää, jossa ei tarvita impulsin etualan lineaarisuutta, vaan käytetään vain rajoituskykyvolttan hallintaperusteena, jossa etualan aika ohjataan 100-200 ns välillä ja amplitudin vaihtelu pysyy ±10 %:ssa. Testissä jokainen isolatori asetettiin viidelle positiivisen napaisen impulsivolttagolle, jota seurasi viisi negatiivisen napaisen impulsivolttagolle, ja tämä sarja toistettiin kerran. Impulsien välinen aika säilyttiin 1-2 minuutin välillä.

Kotimaan ja kansainvälisen tutkimuksen mukaan porcelaaniisolatorien pinnan peittäminen silikaakumiin muuttaa pintasuuntaisten sähkövirtajen leviämisen nopeutta, mikä johtaa pienempään kivennäisen signaalin kestokykyyn. Kuitenkin isolatorin päällikön eristyskyky pysyy ennallaan todellisessa toiminnassa.

Tämä ilmiö on vahvistettu useammalla kotimaisella levyisolatorivalmistajalla: riippumatta siitä, onko profiili syvärikkäinen vai vaihtoehtoinen sateenvarjo, tai onko päällikön rakenne sylinterimäinen vai kartionmuotoinen, kaikki isolatorit osoittavat jossain määrin pienentynyttä kivennäisen signaalin kestokykyä silikaakumiin peittämisen jälkeen.

Tämän vuoksi asiaankuuluvat standardit on muutettu, vähentämällä RTV-peitettyjen levyisolatorien ilmakehän impulsirajoituskykytestin amplitudi 2.8 p.u:sta 2.2 p.u:ksi. Esilaskennat osoittavat, että rajoitus harvoin tapahtuu 2.2 p.u:ssa. Siksi tässä tutkimuksessa valittiin porcelaaniisolatorit ilman RTV-peittelyä ja suoritettiin ilmakehän impulsirajoituskykytestejä 2.8 p.u:n standarditestivolttagilla, jossa volttagin etualan aika ohjattiin 100-200 ns välille.

Lisäksi volttagin napojen ja rajoituspaikkojen tilastollinen analyysi paljasti, että 15 rajoitusluoksesta 14 tapahtui positiivisella napana ja vain yksi negatiivisella napana. Positiivisilla napoilla tapahtuneista rajoituksista 8 tapahtui päällikössä ja 6 sateenvarjoissa; yksi negatiivinen napa rajoitus tapahtui päällikössä. Lisäksi arkua havaittiin isolatorin pinnalla ennen sateenvarjojen rajoituksen sattuessa, kun taas päällikön rajoituksen sattuessa arkua ei havaittu.

Kuitenkin viitteessä kaikki porcelaaniisolatorien kivennäisen signaalin rajoitukset tapahtuivat päällikössä, ja viitteessä porcelaaniisolatorit rajoituivat päällikössä RTV-peittelyn ennen ja jälkeen. Päinvastoin tässä testissä osoitettiin, että ilman yhden kertaisen injektio-muotoilun HTV-peittelyä samaa erää porcelaaniisolatoreista rajoituivat yksinomaan päällikössä. HTV-peittelyn jälkeen kompositporcelaaniisolatorit rajoituivat sekä päällikössä että kaulassa, mikä osoittaa, että HTV-silikaakumiin peittely muuttaa rajoituspolkua.

Rajoitukseen johtaneiden impulsien määrä kirjattiin, tulokset näkyvät kuvassa 4. Kuvaessa nähdään, että 12 isolatoria rajoituivat viiden ensimmäisen impulsin aikana, yksi rajoitui seitsemännellä impulsilla, ja kaksi rajoituivat 15. impulsilla. Viitteessä osoitettiin, että RTV-peitettyjä porcelaaniisolatoreita on huomattavan pienempi kivennäisen signaalin kestokyky, ja suurempi tonnikuorma isolatorit ovat alttiimpia rajoitukselle, mikä viittaa siihen, että silikaakumiin peittely heikentää kivennäisen signaalin vastustuskykyä. Tässä testissä 80 % HTV-peitettyjä kompositisolatoreista rajoituivat neljän ensimmäisen impulsin aikana, mikä lisää todisteita siitä, että HTV-silikaakumiin peittely vähentää merkittävästi isolatorin kivennäisen signaalin vastustuskykyä.

3 Sähkökentän jakautumisen simulointi kivennäisen signaalin huippuvolttagissa

Osion 2 testitulosten analyysi paljastaa, että kompositisolatorien rajoituspolku on muuttunut ja niiden kivennäisen signaalin vastustuskyky on merkittävästi vähentynyt verrattuna porcelaaniisolatorien. Tässä osiossa käytetään simulointia laskemaan kompositisolatorin sähkökentän jakautuminen impulsivolttagin huipussa, pyrkimyksenä tutkia rajoituspolun muutoksen ja kivennäisen signaalin vastustuskyvyn vähentymisen syytä.

2.1 Simulaatiomalli

Ilmakehän impulsirajoituskykytestien havainnot osoittavat, että kun kompositisolatorissa sateenvarjojen rajoitus tapahtuu, arkut kehittyvät isolatorin pinnalle rajoituspaikkaan. Arkuilla on vaikutus sähkökentän jakautumiseen, ja ne on otettava malliin huomioon. Kuitenkin arkujen epäsäännöllinen muoto tekee 3D-mallin laskennasta haastavaa, erityisesti siksi, että silikaakumiin kerros on ohut ja paljon pienempi kuin koko isolatori, mikä vaikeuttaa 3D-verkon luomista. Siksi tässä osiossa käytetään kaksiulotteista aksiaalisymmetristä mallia yksinkertaistamaan ja kvalitatiivisesti analysoida silikaakumiin kerroksen ja arkujen vaikutusta sähkökentän jakautumiseen. Simulaatiomalli on näkyvissä kuvassa 5.

2.2 Materiaalit ja reunaehto

Isolatorin 50 % salama-impulsirajoituskyky on 145 kV, ja 2.8 p.u:n kivennäisen signaalin huippuvoltta on 406 kV. Koska suurin osa testinäytteistä rajoitui positiivisella napana, simuloinnissa nippu (teräs nippu) asetetaan korkeaan potentiaaliin (406 kV) ja päällikkö (teräs päällikkö) nollapotentialle. Materiaalien suhteelliset dielektriset vakiot on lueteltu taulukossa 2.

2.3 Simulaatiotulokset ja analyysi

Mallissa, jossa ei ole silikaakumiin peittelyä, porcelaaniisolatorin sähkökentän jakautuminen kivennäisen signaalin huippuvolttagissa on näkyvissä kuvassa 6(a). Kuvasta 6 nähdään, että sähkökentän tiheyden keskittyy isolatorin päällikköön, jossa se saavuttaa jopa 50 kV/mm, mikä viittaa suureen mahdollisuuteen päällikön rajoitukseen, mikä on yhtenevä kenttäkokemuksen ja liittyvien tutkimusten kanssa.

Vertaillaakseen silikaakumiin peittelyn vaikutusta, laskettiin kompositisolatorimallin, jossa on yhden kertaisen injektio-muotoilun silikaakumi, sähkökentän jakautuminen, tulokset näkyvissä kuvassa 6(b). Kuvasta 6(b) nähdään, että maksimisähkökenttä on arkun päässä isolatorin alapinnalla, noin 219.4 kV/mm; arkun pään sähkökentän tiheys yläpinnalla on pienempi, 41.21 kV/mm; ja merkittävä sähkökentän tiheyden keskittyminen on myös nippun päällä, jossa se saavuttaa 50.68 kV/mm.

Näin ollen silikaakumiin peittelyn vaikutuksesta isolatorin pintaresistanssi kasvaa, mikä nostaa huomattavasti sateenvarjojen tilavuuskapasitiivisen virran ja pintaresistanssin suhdetta. Tämä johtaa sähkökentän komponentin merkittävään kasvuun, joka on kohtisuorassa isolatorin pinnan suhteen, mikä saaarkin alkamaan liikkuu tiiviisti pinnan mukana.

HTV-peittelyn vaikutuksesta arkut leviävät isolatorin pinnalla kivennäisen signaalin alta, mikä johtaa paikallisen sähkökentän tiheyden nopeaan nousuun, joka ylittää selvästi nippun päällä olevan, mikä tekee rajoituksesta mahdollisemmaksi arkun pään ja sateenvarjojen rajoitukseksi. Tämä osoittaa, että kivennäisen signaalin vastustuskyky on vaikutettu sateenvarjojen pinnan HTV-peittelyllä. Lisäksi simulointi osoittaa, että isolatorin päällikön sähkökentän tiheyden on suuri, mikä vastaa havaittuja päällikön rajoituksia testeissä.

3 Johtopäätökset

Kompositisolatorien ilmakehän impulsirajoituskykytestit analysoivat niiden kivennäisen signaalin rajoitusominaisuuksia, ja sähkökentän jakautumisen simuloinnit suoritettiin kivennäisen signaalin huippuvolttagissa. Seuraavat johtopäätökset tehtiin:

• 2.8 p.u:n kivennäisen signaalin alla 15/20 kompositisolatorinäytteestä rajoitui, ja 80 % tapahtui neljän ensimmäisen impulsin aikana, mikä osoittaa, että HTV-silikaakumiin peittelyn vaikutus vähentää merkittävästi kompositisolatorien kivennäisen signaalin vastustuskykyä.

• 15 rajoitusluoksesta, lisäksi nippun päällä tapahtuneet rajoitukset, kuusi tapahtui sateenvarjoissa, mikä osoittaa selkeän muutoksen rajoituspolussa verrattuna perinteisiin porcelaaniisolatorien.

• Simulaatiotulokset osoittavat, että kompositisolatorien pinnan arkujen leviäminen aiheuttaa merkittävän sateenvarjojen sähkökentän tiheyden kasvun volttagin huipussa, joka saavuttaa 217.64 kV/mm, mikä tekee sateenvarjojen rajoituksesta mahdollisemmaksi. Vastaavasti silikaakumiin peittelyä ei ole olevilla isolatorilla, maksimisähkökentän tiheyden aikana arkun kehityksen on nippun päällä, jossa se saavuttaa 49.55 kV/mm, jossa rajoitukset pääasiassa tapahtuvat.